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基于多目标优化的多移动充电设备路径规划算法研究

2020-12-02阅读(353)

基于多目标优化的多移动充电设备路径规划算法研究

论文摘要

能量受限一直是制约无线传感器网络(WSN)大规模应用的重要问题,如何为传感器节点进行有效的能量补充受到越来越多的学者关注。有学者提出在网络中部署一个或多个移动充电设备(Mobile Charger,MC)为传感器节点进行充电。目前关于MC的充电路径规划大多是针对单MC开展研究,关于多MC的研究较少,并且当前的多MC充电路径规划研究仅仅考虑一个性能指标。本文针对多MC充电路径规划进行研究,联合考虑多MC的能量效用和承担充电任务均衡性,研究基于多目标优化的多MC充电路径规划问题。本文首先研究在一轮充电调度中多MC为所有的传感器节点都进行充电,建立多MC全覆盖充电模型,确定了每一个MC所服务的传感器节点集合以及在所服务的每个节点处停留的时间。以最大化多MC能量利用率和均衡多MC承担充电任务为目标,建立基于多目标优化的多MC全覆盖充电路径规划问题模型,并设计基于分解多目标烟花的多MC全覆盖充电路径规划算法(FCCPA)求解该问题。实验结果表明,FCCPA算法得到的能量利用率最高达到了33.49%,优于MOEA/D算法6.15%、MOFWA算法2.54%和Schedule Algorithm 5.45%,并且FCCPA算法得到的充电任务均衡性目标的中位值分别优于MOEA/D算法16.97%、MOFWA算法2.35%和Schedule Algorithm 19.33%。然后,针对多MC仅仅为有充电需求的传感器节点进行能量补充,研究多MC按需充电路径规划问题。当传感器节点的剩余生命低于一定阈值时,向充电服务站发送充电请求,服务站按照基于响应比优先级的动态需求响应策略响应充电请求,为多MC规划充电路径。基于传感器节点能量消耗率预测模型,给出多MC按需充电模型,提出两阶段优化策略,在动态需求响应算法的基础上,联合考虑多MC能量利用率最大化和承担充电任务均衡性两个目标,提出多MC按需充电路径规划算法(MDCPA)求解多MC按需充电路径规划问题。通过仿真实验以及数据分析,MDCPA算法得到的多MC能量利用率最高达到63.14%,优于MOEA/D算法3.41%和MOFWA算法1.15%;得到的充电任务均衡性目标的最优值达到了7.58,优于MOEA/D算法16.34%和MOFWA算法35.93%。表明MDCPA算法在提高多MC按需充电路径规划的能量利用率和均衡多MC充电任务方面,均具有较好的性能。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •   1.3 章节结构
  • 第二章 相关理论与技术
  •   2.1 无线可充电传感器网络充电路径规划研究
  •     2.1.1 全覆盖充电路径规划研究
  •     2.1.2 按需充电路径规划研究
  •   2.2 多目标优化问题及多目标进化算法
  •     2.2.1 多目标优化问题
  •     2.2.2 多目标进化算法分类
  •     2.2.3 多目标进化算法度量指标
  •     2.2.4 多目标烟花算法
  •   2.3 离散烟花算法
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 多目标多MC全覆盖充电路径规划算法
  •   3.1 问题描述与建模
  •     3.1.1 网络模型
  •     3.1.2 充电模型
  •   3.2 优化问题及优化目标
  •   3.3 问题求解与算法设计
  •     3.3.1 路径构造策略
  •     3.3.2 适应度值计算及爆炸策略
  •     3.3.3 选择策略及外部种群更新策略
  •     3.3.4 算法描述
  •   3.4 实验设计与数值分析
  •     3.4.1 实验仿真参数设置及实验设计
  •     3.4.2 实验结果分析
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 多目标多MC按需充电路径规划算法
  •   4.1 问题描述与建模
  •     4.1.1 网络模型
  •     4.1.2 能量消耗率预测模型
  •     4.1.3 动态需求响应优先级
  •     4.1.4 充电模型
  •   4.2 优化问题及优化目标
  •   4.3 问题求解
  •     4.3.1 预优化阶段模型
  •     4.3.2 实时优化阶段模型
  •   4.4 算法设计
  •     4.4.1 静态需求传感器节点充电路径构造策略
  •     4.4.2 适应度值计算及爆炸策略
  •     4.4.3 选择策略及外部种群更新策略
  •     4.4.4 算法描述
  •   4.5 实验结果及数值分析
  •     4.5.1 实验参数设置
  •     4.5.2 实验结果分析
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 赵苏磊

    导师: 张建军,冯琳

    关键词: 多移动充电设备,全覆盖充电规划,按需充电规划,烟花算法,多目标优化

    来源: 合肥工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 数学,电信技术,自动化技术

    单位: 合肥工业大学

    基金: 国家自然科学基金面上项目《可无线充电的无线传感器网络跨层协议研究和设计》(61370088)

    分类号: TP212.9;TN929.5;O221

    总页数: 69

    文件大小: 3874K

    下载量: 188

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